黄河河口水沙运动的二维数学模型.pdfVIP

水 利 学 报 2004 年6 月 SHUILI XUEBAO 第6 期 文章编号 0559-9350 (2004) 06-0001-07 黄河河口水沙运动的二维数学模型 1 2 2 1 李东风 张红武 钟德钰 吕志咏 (1.北京航空航天大学 流体研究所 北京 100083 2.清华大学 水利水电工程系 北京 100084) 摘要 本文针对黄河河口河道水沙潮波的特点 从水流连续方程 运动方程 泥沙运动方程出发 补充了潮流挟沙 能力的计算公式 建立了黄河河道河口二维数学模型 以1982年实测资料 从潮位过程 流速大小和方向及海底冲 淤变形等方面对数学模型进行了验证计算 在此基础上开展了典型水沙条件下黄河河口泥沙运动规律的模拟研究 其结果揭示了黄河河口清水沟所处海域的潮流潮汐特性和泥沙输移规律 这些成果与实测资料以及卫星遥感分析 结果一致 进一步表明了模型的可靠性 关键词 河口黄河 潮波 2-D数学模型 数值模拟 有限元法 泥沙输运 中图分类号 TV148 文献标识码 A 黄河河口是弱潮多沙摆动频繁的堆积性河口 河口不断淤积延伸是造成黄河下游河床淤积抬高的主要 原因之一 黄河水少沙多 近几年来 进入下游的水量又急剧减少 下游河段的淤积仍在发展 如何减少 泥沙在山东河段及其在河口的淤积 减缓河口外延速度是河口治理的关键 也直接影响黄河下游的治理 这不仅是黄河下游长治久安的要求 也是河口地区经济发展的迫切需要 为解决黄河河口河段不抬高的问 题 有关部门及许多专家提出了不同的河口治理方案 为论证各个方案的可行性 常用的方法有应用水沙 基本理论对资料进行分析的方法 物理模型方法和利用数学模型进行数值模拟的方法等 相对于物理模型 和资料分析方法 数值模拟作为一种重要研究手段 是进行河口治理方案科学论证和解决工程问题的有用 工具 国内外利用有限差分 有限元 有限体积 边界元和有限分析等各种离散方法对河口进行数值计算的 研究已经很多 这些方法各具特点[1 9] 对于黄河河口水沙运动模拟的研究在国内开展了很多 例如国家 自然科学基金重大项目黄河下游水沙变化与河床演变的第三课题 黄河流域环境演变与水沙运行规律 [10] 八五 国家重点科技攻关项目85-926-02-03 黄河口演变规律及其整治 [11] 85-925-01-01 延长黄河 口清水沟流路行水年限 [ ]等 在这些项目中主要依靠有限差分方法模拟黄河水沙运动 并取得了很大 的进展 得到了众多应用 也解决了很多黄河河口治理的决策问题[10 20] 为充分利用各种离散方法的优点 更好的解决实际生产的某些特殊工程问题 如河口淤积延伸对河道的反馈影响 河口拦门沙的形成和治理 问题等 作者对比了各种离散方法的特点 开展了利用有限元数值离散方法进行黄河河口数学模型及河口 潮流潮汐特性 泥沙淤积扩散和运动等规律的研究 1 基本方程和定解条件 收稿日期 2003-04-07 基金项目 高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金(199935) 黄河专项(98z02) 浙江省自然科学基金(M503254) 浙江省高校中青年学科带头人基金项目 作者简介 李东风(1965-) 男 河南夏邑人 博士生 副教授 主要从事流体力学 河口 水力学和河流动力学等方 面的科研和教学工作 1 水 利 学 报 2004 年6 月 SHUILI XUEBAO 第6 期 1.1 基本方程 黄河河口潮流泥沙二维数学模型的基本方程包括如下几个方面 (1)水流连续方程